От чего же зависит режим кипения?
Прежде всего - от разности температур между нагретой поверхностью и жидкостью.
На рисунке 1.4 приведена примерная зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды.
Рисунок 1.4 - Зависимость коэффициента теплоотдачи от перепада температур для воды
В области а перепад температуры и плотность теплового потока малы. Происходит обычное поверхностное испарение жидкости. Пузырьков практически не образуется. Значение коэффициента определяется в основном законами свободной конвекции (перемешивания) некипящей жидкости.
В области б коэффициент зависит от интенсивности перемешивания жидкости, которое происходит за счет движения пузырьков и резко растет при увеличении . Это пузырьковое кипение, критические значения при котором достигают максимальных значений и составляют для органических жидкостей от 5 до 50°С.
В области в происходит пленочное кипение. По мере образования сплошной пленки на поверхности нагрева значения коэффициента падают. Количество пузырьков, участвующих в перемешивании жидкости, с увеличением сокращается.
Таким образом, повышение сверх критических значений приводит к резкому сокращению интенсивности теплообмена. Значение определяется подводимым количеством тепла, которое также имеет какую-то предельную критическую величину.
Например, для воды критическая плотность теплового потока составляет 102 Вт/см2 при 100°С, в то время как для жидкого лития эта величина достигает уже 505 Вт/см2 при температуре 1482°С.
Следует заметить, что критические значения и при возврате от пленочного кипения к пузырьковому существенно меньше тех, которые соответствуют переходу от пузырькового к пленочному. Оказывается, что необходимо гораздо большее снижение величины , чтобы вновь восстановить пузырьковый режим кипения, т.е. между этими двумя значениями критических потоков возможно существование обоих режимов кипения на одной и той же поверхности.
Раннему возникновению пленочного кипения способствует плохая смачиваемость поверхности нагрева жидкостью. Если жидкость вообще не смачивает поверхность, наблюдается устойчивое пленочное кипение практически при любых количествах подводимого тепла. Все сказанное, выше о кипении, очевидно, относится не только к воде, на которую легче ссылаться в примерах из-за наглядности, но также и к любым жидкостям. В частности, в тепловых трубах, предназначенных для работы в области высоких температур, в качестве рабочей жидкости часто используют расплавленные металлы.
Однако существенным недостатком жидких металлов является плохая смачиваемость обтекаемой твердой поверхности. Поэтому в тепловых трубах предпринимаются специальные меры, отодвигающие момент начала пленочного кипения в область более высоких тепловых потоков.
Одна из таких мер - создание системы узких каналов или шероховатостей на внутренней поверхности тепловой трубы, покрытой жидкостью (рисунок 1.5). Это приводит к более равномерному росту пузырьков и, таким образом, сдерживает скачкообразный переход к пленочному кипению. В частности, для воды эти меры позволяют довести величину критического теплового потока до 500 Вт/см2.
Рисунок 1.5 - Выступы и узкие каналы на внутренней поверхности трубы в зоне нагрева, позволяющие задержать момент перехода к пленочному кипению.
1.2 Зона конденсации
Пар жидкости, контактируя с охлаждаемой поверхностью, конденсируется. Этот процесс, как уже отмечалось, сопровождается выделением тепла, количество которого равно теплу, поглощенному при парообразовании. Конденсация происходит при строго определенном давлении насыщающих паров рв.
Рисунок 1.6 - Капельная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы
Исследования показали, что характер конденсаций (как и характер процесса кипения) в значительной степени зависит от степени смачиваемости поверхности конденсатом. Если поверхность не смачивается, на ней образуются отдельные капельки. Эти капельки растут, а затем падают под действием силы тяжести. Такой процесс носит название капельной конденсации (рисунок 1.6). Если же поверхность хорошо смачивается конденсатом, вместо капель образуется сплошная пленка, стекающая по стенке. Важно отметить, что при непрерывно поступающем паре все время существует равновесная пленка конденсата. В этом случае пар контактирует практически не с твердой поверхностью стенки, а с поверхностью пленки (рисунок 1.7).
Рисунок 1.7 - Пленочная конденсация в зане охлаждения тепловой трубы
Как различаются условия теплопередачи при этих двух режимах конденсации?
При капельной конденсации теплообмен, очевидно, выше, так как разогретый пар непосредственно контактирует с поверхностью стенки. Температурный перепад между паром и стенкой практически отсутствует.
При пленочной конденсации такого прямого контакта нет. Пленка конденсата обусловливает термическое сопротивление и соответствующий перепад температуры. Очевидно, чем толще равновесная пленка, тем больше величина перепада. Термическое сопротивление пленки конденсата - не единственный фактор, определяющий теплопередачу при конденсации. Важное значение имеет процесс диффузии из объема. Эти два процесса в зависимости от конкретных условий играют различную роль.
Если конденсируемая жидкость характеризуется низкой теплопроводностью, т.е. критерий Прандтля такой жидкости много больше единицы, то основную роль при теплопередаче играет пленка конденсата (точнее, ее термическое сопротивление).
Если мы имеем дело с жидкими металлами, характеризующимися высокой теплопроводностью (Pr<<1), то, очевидно, главную роль играет интенсивность подвода пара к поверхности, т.е. его диффузия. Процессы на поверхности жидкости не сильно влияют на перенос тепла. В частности, этим объясняется незначительная чувствительность теплоотдачи в зоне конденсации тепловых труб, наполненных жидкими маслами, к режиму конденсации (пленочному или капельному).
Если рассмотреть поперечное сечение вертикальной тепловой трубы в зоне конденсации, то при хорошем смачивании можно видеть непрерывно стекающую вниз пленку конденсата, толщина которой из-за постепенного накопления конденсата все более увеличивается. Однако коэффициент теплоотдачи при прочих равных уcловиях выше там, где пленка тоньше.
Рисунок 1.8 - Разный характер течения пленки в зоне конденсации тепловой трубы а - ламинарный (Re?30), б - волнообразный (Re>50), в-турбулентный (Re?1500)
поверхностный кипение парообразование
Интересно проследить за характером течения жидкости в пленке. При малых тепловых потоках, т.е. при малых количествах конденсата, толщина пленки незначительна и течение в ней носит ламинарный, упорядоченный характер (рисунок 1.8 (а)). Но вот тепловой поток по тем или иным причинам возрос, пленка стала «полноводнее», толщина ее возросла, а течение приобрело волнообразный характер (рисунок 1.8 (б)). Наконец, при еще больших потоках течение теряет признаки упорядоченности - наступает турбулентный режим течения с интенсивным перемешиванием (рисунок 1.8 (в)). Последнее обстоятельство существенно улучшает эффективность теплоотдачи по сравнению с ламинарным режимом.
Уже эти качественные рассуждения показывают, насколько труден теоретический анализ рассматриваемых явлений. Однако на основании многочисленных экспериментов удалось установить границы существования разных режимов течения. Определяющим в этом случае оказалось значение безразмерного критерия, установленного английским физиком-инженером Осборном Рейнольдсом (1842-1912):
где - кинематическая вязкость, - характерный для данной задачи размер, - скорость течения жидкости.
Если число Рейнольдса менее или равно 20-30, имеет место ламинарное течение жидкости в пленке. При Re>30-50 течение волновое, и, наконец, при Re>1500 наступает турбулентный режим течения.
Для некоторых режимов течения удалось найти расчетные формулы для коэффициентов теплоотдачи. В частности, для ламинарного течения пленки при скоростях движения пара менее 10 м/с средний коэффициент теплоотдачи на участке конденсации высотой h в вертикальной трубе составит:
.
Такая форма записи уже не должна казаться усложненной, так как выше было показано, что критерии подобия вычисляются довольно просто.
Новым критерием является здесь критерий конденсации , равный
.
Принятые обозначения - те же, что и при рассмотрении процесса кипения. и - критерии Прандтля при температуре насыщения соответственно для жидкости и пара.
Заканчивая рассмотрение процесса конденсации, необходимо еще упомянуть об одном явлении, значительно усложняющем теоретические оценки. При больших скоростях потока пара существенным оказывается его взаимодействие со встречным потоком стекающего конденсата.
Рисунок 1.9 - Эпюра скоростей молекул жидкости и пара в произвольном сечении тепловой трубы
В результате, в любом поперечном сечении тепловой трубы имеет место сложная эпюра скоростей молекул жидкости и пара (рисунок 1.9). Течение пленки тормозится, толщина ее несколько увеличивается, а следовательно, хуже осуществляется теплоотдача. Возможно также местное осушение стенки, приводящее к локальным перегревам. Теоретический анализ этих явлений выходит за рамки данной работы.
1.3 Зона переноса тепла и общая схема работы тепловой трубы
Под зоной переноса тепла в тепловой трубе обычно подразумевается средний участок, на котором практически не происходит теплообмена с окружающей трубу внешней средой. Это достигается применением надежной и эффективной теплоизоляции на этом участке. Таким образом, в тепловой трубе различают три участка: зона подвода тепла, зона переноса тепла, зона отвода тепла. Иногда зону подвода тепла называют зоной испарения, а зону отвода - зоной конденсации. Схематично расположение зон иллюстрирует рисунок 1.10. Зона переноса может быть различной протяженности. В довольно широком классе технических устройств она вообще отсутствует. Что касается зон подвода и отвода тепла, то их длины могут быть равны между собой. Тогда плотность теплового потока на их поверхности будет одинакова.
Конечно, эти зоны могут быть и различными по протяженности. В этом случае в соответствии с выбранным соотношением их поверхностей будет осуществляться трансформация плотности теплового потока. Например, если зона теплоприема в 2 раза больше зоны теплоотвода, то наряду с передачей полного подводимого теплового потока имеет место его двукратная концентрация.
Несколько слов о движении пара в тепловой трубе. Известно, что пар, как и любой другой газ, перетекает из одной области в другую, если имеется какой-либо перепад давления между этими областями.
Рисунок 1.10 - Схема расположения зон в тепловой трубе
В тепловой трубе пар движется из зоны нагрева в зону конденсации, так как между этими зонами имеется некоторый перепад давления. Повышенное давление в зоне нагрева - результат интенсивного образования пара при кипении. Попадая в зону конденсации, где температура ниже, пар конденсируется, т.е. превращается в более плотную субстанцию - жидкость, и поэтому в этой зоне давление падает. Наличие такого постоянно действующего перепада давления и обеспечивает непрерывное перетекание пара вдоль тепловой трубы.
2. Теплоиспользующие устройства на тепловых трубах
Теплообменники на тепловых трубах (ТТТ) - разновидность рекуперативных теплообменников с промежуточным теплоносителем. Появились они в начале 1970-х годов, когда была доказана принципиальная возможность применения тепловых труб в качестве эффективных теплопередающих устройств.
Для теплообменников целесообразны сравнительно дешевые конструкции ТТ, имеющие малые габариты и хорошие теплотехнические характеристики. К таким ТТ можно отнести гладкостенные (термосифоны), фитильные и центробежные. В качестве элементов ТТТ могут успешно применяться и электрогидродинамические, электроосмотические, магнитогидродинамические, осмотические и другие виды тепловых труб.
Эффективность теплообменника с тепловыми трубами обычно оценивается коэффициентом:
т = (Тr1 - Tr2)/(Тr1 - Tx1),
где Тr1 и Tr2 - температуры горячего теплоносителя на входе в теплообменник и выходе из него; Тx1 - температура холодного теплоносителя на входе.
Конструктивно ТТТ выполняются из набора ТТ (рис. 51, 52 ). В ТТТ имеются зоны испарения и конденсации, в некоторых аппаратах - еще и транспортная (адиабатная) зона, не участвующая в процессе теплообмена. Эти зоны могут иметь различные геометрические размеры, которые лимитируются возможностями тепловых труб по транспорту теплоносителя. Испарительная зона теплообменника находится в потоке теплоотдающей среды, а конденсация - в потоке тепловоспринимающей среды.
В зависимости от агрегатов состояния теплоносители, омывающие испарительную и конденсационную зону ТТТ, разделяются на три типа: 1) газ-газ (воздух-воздух); 2) газ-жидкость; 3) жидкость-жидкость.
Теплоиспользующие аппараты первого типа применяются в качестве воздухоподогревателей для промышленных процессов, в системах отопления и вентиляции помещения, для кондиционирования воздуха, в агрегатах-утилизаторах животноводческих ферм и т.д. В свою очередь, каждый из типов ТТТ в зависимости от назначения делится на три вида: